Моделирование распыления поверхности катода ионами и быстрыми атомами в таунсендовском разряде в смеси аргон-ртуть с зависящим от температуры составом

Смесь аргона и паров ртути используется в качестве рабочего газа в различных типах газоразрядных осветительных ламп. Целью данной работы являлось построение модели, описывающей перенос электронов, ионов и быстрых атомов в слаботочном разряде в смеси аргон-ртуть, а также определение зависимости их вкладов в распыление катода, ограничивающее срок службы прибора, от температуры. Для моделирования движения электронов мы применяли метод статистического моделирования Монте-Карло. Перенос ионов и возбужденных атомов с целью сокращения затрат расчетного времени описывали на основе макроскопических уравнений, что позволило найти плотности их потоков у поверхности катода. Затем с использованием метода Монте-Карло находили энергетические спектры ионов и быстрых атомов, образующихся при столкновениях ионов с атомами смеси, у поверхности катода, а также эффективные коэффициенты распыления катода каждым типом частиц.

Расчеты показали, что плотности потоков ионов аргона и быстрых атомов аргона, возникающих при столкновениях ионов аргона с медленными атомами аргона, не зависят от температуры, в то время как плотности потоков ионов ртути и быстрых атомов аргона, образуемых ими, быстро возрастают при увеличении температуры вследствие увеличения содержания ртути в смеси.

Представлены результаты моделирования энергетических спектров ионов и быстрых атомов у поверхности катода. Они демонстрируют, что при малом содержании атомов ртути в смеси порядка 10⁻³ распыление катода происходит, главным образом, ионами ртути, так как их энергии существенно превосходят энергии других типов частиц, причем их вклад в распыление уменьшается со снижением температуры смеси.

1. Samukawa S., Hori M., Rauf S., Tachibana K., Bruggeman P., Kroesen G., Whitehead J.C., Murphy A.B., Gutsol A.F., Starikovskaia S., Kortshagen U., Boeuf J.-P., Sommerer T.J., Kushner M.J., Czarnetzki U., Mason N. The 2012 plasma roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, vol. 45, no. 25, pp. 253001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/25/253001

2. Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps. J. Phys.: Conf. Ser., 2015, vol. 655, pp. 012045. https://doi.org/10.1088/1742-6596/655/1/012045

3. Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. Determination of absolute Ba densities during dimming operation of fluorescent lamps by laser-induced fluorescence measurements. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 163-167. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/1/009

4. Kristya V.I., Fisher M.R. Monte Carlo simulation of gas ionization in the interelectrode gap of a lowcurrent discharge in an argon-mercury mixture. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 2010, vol. 74, no. 2, pp. 277-280. https://doi.org/10.3103/S106287381002036X

5. Sobota A., van den Bos R.A.J.M., Kroesen G., Manders F. Transition between breakdown regimes in a temperature-dependent mixture of argon and mercury using 100 kHz excitation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043308. https://doi.org/10.1063/1.4789598

6. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Modeling of the effect of temperature and field-induced electron emission from the cathode with a thin insulating film on the Townsend discharge ignition voltage in argon-mercury mixture. Vacuum, 2016, vol. 129, pp. 188-191. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.01.008

7. Bogaerts A. Comprehensive modelling network for dc glow discharges in argon. Plasma Sources Sci. Technol., 1999, vol. 8, no. 2, pp. 210-229. https://doi.org/10.1088/0963-0252/8/2/003

8. Hagelaar G.J.M., Kroesen G.M.W., Klein M.H. Energy distribution of ions and fast neutrals in microdischarges for display technology. J. Appl. Phys., 2000, vol. 88, no. 5, pp. 2240-2245. https://doi.org/10.1063/1.1287758

9. Capdeville H., Pedoussat C., Pitchford L.C. Ion and neutral energy flux distributions to the cathode in glow discharges in Ar/Ne and Xe/Ne mixtures. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 3, pp. 1026-1030. https://doi.org/10.1063/1.1430891

10. Liu C., Wang D. Monte Carlo simulation of ions inside a cylindrical bore for plasma source ion implantation. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 1, pp. 32- 35. https://doi.org/10.1063/1.1421239

11. Yoon S.J., Lee I. Theory of the lifetime of the MgO protecting layer in ac plasma display panels. J. Appl. Phys., 2002, vol. 91, no. 4, pp. 2487-2492. https://doi.org/10.1063/1.1433928

12. Ito T., Cappelli M.A. Ion energy distribution and gas heating in the cathode fall of a direct-current microdischarge. Phys. Rev. E, 2006, vol. 73, no. 4, pp. 046401. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.73.046401

13. Ito T., Cappelli M.A. On the production of ener- getic neutrals in the cathode sheath of direct-current discharges. Appl. Phys. Lett., 2007, vol. 90, no. 10, pp. 101503. https://doi.org/10.1063/1.2711416

14. Wang H., Sukhomlinov V.S., Kaganovich I.D., Mustafaev A.S. Simulations of ion velocity distribution functions taking into account both elastic and charge exchange collisions. Plasma Sources Sci. Technol., 2017, vol. 26, no. 2, pp. 024001. https://doi.org/10.1088/1361-6595/26/2/024001

15. Sukhomlinov V.S., Mustafaev A.S., Murillo O. Ion energy distribution function in the wall layer at a negative wall potential with respect to the plasma. Phys. Plasmas, 2018, vol. 25, no. 1, pp. 013513. https://doi.org/10.1063/1.5017309

16. Kristya V.I., Savichkin D.O., Fisher M.R. Modeling of cathode sputtering in a low-current gas discharge in a mixture of argon with mercury vapor. J. Surf. Investig., 2016, vol. 10, no. 2, rp. 441-444. https://doi.org/10.1134/S1027451016020300

17. Bondarenko G.G., Fisher M. R., Kristya V.I. Simulation of charged and excited particle transport in the low-current discharge in argon-mercury mixture. J. Phys.: Conf. Ser., 2012, vol. 406, pp. 012031. https://doi.org/10.1088/1742-6596/406/1/012031

18. Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Influence of temperature on the ionization coefficient and ignition voltage of the Townsend discharge in an argon- mercury vapor mixture. Technical Physics, 2017, vol. 6, no. 2, pp. 223-229. https://doi.org/10.1134/S1063784217020050

19. Phelps A.V. The application of scattering cross sections to ion flux models in discharge sheaths. J. Appl. Phys., 1994, vol. 76, no. 2, pp. 747-753. https://doi.org/10.1063/1.357820

20. Andersen H.H., Bay H.L. Sputtering by Particle Bombardment I. Physical Sputtering of Single-Element Solids, ed. R. Behrisch. Berlin-Heidelberg, Springer, 1981, p. 145.